脊髓损伤部位神经元活性检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脊髓损伤部位神经元活性检测系统及检测方法，主要解决传统医学设备无法准确获得脊髓受损的位置神经元活性信息的问题。本系统包括光源子系统、分光子系统、反光镜、检测子系统、数据处理和图像处理子系统和显示器。光源子系统产生的近红外光经过分光子系统后，通过反射镜改变光路，投射至脊髓损伤部位，数据处理和图像处理子系统通过对检测子系统检测到的漫反射光谱和透射光谱的分析，获得神经递质和神经元特异性核蛋白的定位、定性、定量关系，并绘制成神经元活性信息图在显示器显示。本发明专利技术能获得脊髓损伤部位神经元状态的详细信息，用于为脊髓损伤的治疗及脊髓损伤后神经功能重建研究提供依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子设备
，特别涉及一种医学检测设备，可用于测量患者脊髓损伤部位神经递质和神经元特异性核蛋白的近红外吸收谱，定位检测神经元的活性，为脊髓损伤的诊断、治疗和科学研究提供可视化检测手段和依据。
技术介绍
近年来，随着交通事故、高空跌落、机械撞击等事故的频发，导致的脊髓损伤患者的数量大幅增加。据2013年统计数据显示，全世界脊髓损伤患病率为(258~785人)/百万人口，每年新发病率为(13.8~86人)/百万人口。目前全世界有脊髓损伤患者约480~530万人，每年新增60万人左右。脊髓损伤将中断人体神经信号的传输信道，造成患者大多高位截瘫，丧失肢体功能，大小便失禁，导致终生残疾，生活异常艰难，这不仅会给患者本人带来身体和心理的严重伤害，还会对家庭和社会造成巨大的经济负担。脊髓损伤的预防、治疗和康复，已成为是世界医学一大难题。 迄今为止，医生和科研人员只能使用常规的仪器和检查方式，如X射线检查、CT检查、磁共振MRI检查、体感诱发电位SEP和运动诱导电位MEP检查等传统方式。尽管这些仪器能够判断急性脊髓损伤受损的大概位置，但是这种检查只是形态学和影像学方面的观察，不能够检查患者脊髓损伤部位神经元的活性及随时间变化情况，也不能够准确判断脊髓受损的位置，难以精确判断受损脊髓的空洞和结痂的情况，也不能够为患者的康复提供可供比较的影像资料。 目前，医学领域针对脊髓损伤后神经功能重建所采取的研究方法主要可分为三大类:一是神经营养因子和神经元再生、二是神经元移植，三是神经电生理和人工微电子搭桥。 但这些方法的实现需要获取脊髓损伤部位神经元状态的详细信息，如神经元活动情况，移植神经元与原有神经元之间的相容性和排异性情况，受损部位脊髓结痂状态，受损脊髓长度等等。而现有的医学设备都无法提供以上信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有医学检测设备的不足，基于神经递质和神经元特异性核蛋白的近红外谱分析理论和技术，提供一种，以通过对患者脊髓受损部位的近红外测试、定位、定量和定性分析获得脊髓受损部位的神经元活性信息，并进行成像显示，为脊髓损伤患者的治疗及脊髓损伤后神经功能重建的研究提供依据。 本专利技术的技术方案是这样实现的: 一.检测原理 医学研究表明，神经递质由存活的神经元产生，神经元特异性核蛋白，能够特异性识别神经元。根据量子能级理论，每种物质都有自己独一无二的红外光谱。通过对脊髓损伤部位神经递质和神经元特异性核蛋白的近红外吸收谱检测，能够判断神经元的活性。 本专利技术将光源发出的近红外光经分光系统和反光镜，投射至患者脊髓损伤部位。投射的近红外光一部分被体内的各种生物组织及不同物质，如蛋白质、骨骼、水分、电解质、神经递质、神经元特异性核蛋白等吸收，一部分被反射出来，还有一部分穿过人体，透射出来。通过漫反射检测器，得到近红外漫反射光谱，通过透射检测器，得到近红外透射光谱。漫反射光谱和透射光谱经过数据处理和图像处理后，可以对神经递质和神经元特异性核蛋白进行定位、定性、定量分析，最后在显示器成像显示神经元活性信息。 二.本专利技术提出的脊髓损伤部位神经元活性检测系统，包括: 光源子系统:用于为检测系统提供能覆盖整个近红外谱的红外光； 分光子系统:用于对光源子系统发出的近红外光进行分光，使近红外光以栅格状传输至反光镜； 反光镜:用于改变光路，使栅格状的近红外光照射至测试床子系统确定位置； 测试床子系统，用于承载患者，并通过调节测试床的位置使反光镜传输的近红外光对患者脊髓损伤部位进行照射扫描的一部分近红外光被吸收，一部分发生漫反射和透射，产生漫反射光谱和透射光谱； 检测器子系统:用于对照射扫描后产生的漫反射光谱和透射光谱进行检测，并将检测到的光谱信号转换成数字信号后输送给数据处理和图像处理子系统； 数据处理和图像处理子系统:用于对检测器子系统输出的数字信号进行处理，以获得近红外线吸收谱图和神经元活性信息图，输出给成像显示器，并建立患者脊髓损伤数据库； 显示器:用于对近红外线吸收谱图，神经元活性信息图进行成像显示，以及查看数据库文件。 作为优选，所述的光源子系统包括光源器件、聚光器、准直器、控制电路、反馈电路和电源；电源对光源器件提供能量，光源器件的输出分为两路:一路为电压信号，另一路为近红外光信号；该电压信号通过反馈电路输送至控制电路，控制电路对电源输出电压进行控制；该近红外光信号，依次经过聚光器聚光，准直器准直后发送至分光子系统。 作为优选，所述的分光子系统，包括光栅、驱动电路、扫描控制器；扫描控制器通过驱动电路对光栅分辨率和扫描速率进行调节。 作为优选，所述的检测器子系统，包括温度控制器、测试舱、光检测器、光电转换器、放大电路、A/D转换电路；温度控制器用于控制测试舱温度，光检测器置于测试舱内，用于对漫反射光谱和透射光谱进行检测，光电转换器将检测到的光谱变为模拟电信号，该模拟电信号依次经放大电路放大、A/D转换，输出数字信号给数据处理和图像处理子系统。 作为优选，所述的数据处理和图像处理子系统，包括数据处理器、近红外分析仪；该数据处理器包括: 红外去噪模块，用于对数字信号进行红外去噪，将红外去噪后的数字信号输出至近红外分析仪进行分析，以获得近红外吸收谱图，并将该近红外吸收谱图输出至近红外吸收谱图数据库和近红外吸收谱分析模块； 近红外吸收谱图数据库，用于存储近红外吸收谱图； 近红外吸收谱分析模块，用于对近红外吸收谱图进行分析，获得初步神经元活性信息图，并将初步神经元活性信息图输出至图像去噪模块； 图像去噪模块，用于对初步神经元活性信息图进行图像去噪处理，以获得神经元活性信息图，并将神经元活性信息图输出至神经元活性信息图数据库和显示器进行存储和显不O 三.本专利技术提出的脊髓损伤部位神经元活性检测方法，包括如下步骤: (I)采用聚类算法计算神经递质和神经元特异性核蛋白样品的聚类距离矩阵0? ={dpq},其中dM表示P样品Xp和q样品Xq的欧氏距离； (2)采用偏最小二乘PLS算法计算神经递质和神经元特异性核蛋白样品的回归系数矩阵B ； (3)以人体脊髓每节段的底部切面中心为原点，垂直于身体平面为X轴，平行于身体平面为Y轴，平行于脊椎为Z轴，建立三维立体坐标系； (4)利用光源器件产生覆盖整个近红外谱的红外光； (5)利用光栅对光源器件产生的近红外光进行分光处理，得到栅格状近红外光； (6)栅格状的近红外光经过反光镜改变光路，对脊髓损伤部位进行三维照射扫描，产生漫反射光谱和透射光谱； (7)对照射扫描后所产生的漫反射光谱和透射光谱进行检测，将检测到的光谱信号转变为模拟电信号，再经过放大和模数转换变为数字信号； (8)使用小波包阈值消噪方法对数字信号进行红外去噪处理，并通过近红外分析仪输出近红外吸收谱图； (9)由近红外吸收谱图得到初步神经元的活性信息图； (9a)在近红外吸收谱图中读取未穿过人体的反射光强度为Itl，穿过人体之后的反射光强度I，根据近红外光强度与光沿路径损耗的定量关系I = IcieId，计算三维扫面路径一 rf d d的人体厚度值分别为(I1、d2、d3,则该点坐标、y=~T、2=」.，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脊髓损伤部位神经元活性检测系统，包括：光源子系统：用于为检测系统提供能覆盖整个近红外谱的红外光；分光子系统：用于对光源子系统发出的近红外光进行分光，使近红外光以栅格状传输至反光镜；反光镜：用于改变光路，使栅格状的近红外光照射至测试床子系统确定位置；测试床子系统，用于承载患者，并通过调节测试床的位置使反光镜传输的近红外光对患者脊髓损伤部位进行照射扫描的一部分近红外光被吸收，一部分发生漫反射和透射，产生漫反射光谱和透射光谱；检测器子系统：用于对照射扫描后产生的漫反射光谱和透射光谱进行检测，并将检测到的光谱信号转换成数字信号后输送给数据处理和图像处理子系统；数据处理和图像处理子系统：用于对检测器子系统输出的数字信号进行处理，以获得近红外线吸收谱图和神经元活性信息图，输出给成像显示器，并建立患者脊髓损伤数据库；显示器：用于对近红外线吸收谱图，神经元活性信息图进行成像显示，以及查看数据库文件。

【技术特征摘要】
1.一种脊髓损伤部位神经元活性检测系统，包括: 光源子系统:用于为检测系统提供能覆盖整个近红外谱的红外光； 分光子系统:用于对光源子系统发出的近红外光进行分光，使近红外光以栅格状传输至反光镜； 反光镜:用于改变光路，使栅格状的近红外光照射至测试床子系统确定位置； 测试床子系统，用于承载患者，并通过调节测试床的位置使反光镜传输的近红外光对患者脊髓损伤部位进行照射扫描的一部分近红外光被吸收，一部分发生漫反射和透射，产生漫反射光谱和透射光谱； 检测器子系统:用于对照射扫描后产生的漫反射光谱和透射光谱进行检测，并将检测到的光谱信号转换成数字信号后输送给数据处理和图像处理子系统； 数据处理和图像处理子系统:用于对检测器子系统输出的数字信号进行处理，以获得近红外线吸收谱图和神经元活性信息图，输出给成像显示器，并建立患者脊髓损伤数据库； 显示器:用于对近红外线吸收谱图，神经元活性信息图进行成像显示，以及查看数据库文件。2.根据权利I所述的脊髓损伤部位神经元活性检测系统，其中所述的光源子系统包括光源器件、聚光器、准 直器、控制电路、反馈电路和电源；电源对光源器件提供能量，光源器件的输出分为两路:一路为电压信号，另一路为近红外光信号；该电压信号通过反馈电路输送至控制电路，控制电路对电源输出电压进行控制；该近红外光信号，依次经过聚光器聚光，准直器准直后发送至分光子系统。3.根据权利I所述的脊髓损伤部位神经元活性检测系统，其中所述的分光子系统，包括光栅、驱动电路、扫描控制器；扫描控制器通过驱动电路对光栅分辨率和扫描速率进行调节。4.根据权利I所述的脊髓损伤部位神经元活性检测系统，其中所述的检测器子系统，包括温度控制器、测试舱、光检测器、光电转换器、放大电路、A/D转换电路；温度控制器用于控制测试舱温度，光检测器置于测试舱内，用于对漫反射光谱和透射光谱进行检测，光电转换器将检测到的光谱变为模拟电信号，该模拟电信号依次经放大电路放大、A/D转换，输出数字信号给数据处理和图像处理子系统。5.根据权利I所述的脊髓损伤部位神经元活性检测系统，其中所述的数据处理和图像处理子系统，包括数据处理器、近红外分析仪；该数据处理器包括: 红外去噪模块，用于对数字信号进行红外去噪，将红外去噪后的数字信号输出至近红外分析仪进行分析，以获得近红外吸收谱图，并将该近红外吸收谱图输出至近红外吸收谱图数据库和近红外吸收谱分析模块； 近红外吸收谱图数据库，用于存储近红外吸收谱图； 近红外吸收谱分析模块，用于对近红外吸收谱图进行分析，获得初步神经元活性信息图，并将初步神经元活性信息图输出至图像去噪模块； 图像去噪模块，用于对初步神经元活性信息图进行图像去噪处理，以获得神经元活性信息图，并将神经元活性信息图输出至神经元活性信息图数据库和显示器进行存储和显/Jn ο6.一种脊髓损伤部位神经元活性检测方法，包括如下步骤: (1)采用聚类算法计算神经递质和神经元特异性核蛋白样品的聚类距离矩阵Dn={dpq},其中dM表示P样品Xp和q样品Xq的欧氏距离； (2)采用偏最小二乘PLS算法计算神经递质和神经元特异性核蛋白样品的回归系数矩阵B ; (3)以人体脊髓每节段的底部切面中心为原点，垂直于身体平面为X轴，平行于身体平面为Y轴，平行于脊椎为Z轴，建立三维立体坐标系； (4)利用光源器件产生覆盖整个近红外谱的红外光； (5)利用光栅对光源器件产生的近红外光进行分光处理，得到栅格状近红外光； (6)栅格状的近红外光经过反光镜改变光路，对脊髓损伤部位进行三维照射扫描，产生漫反射光谱和透射光谱； (7)对照射扫描后所产生的漫反射光谱和透射光谱进行检测，将检测到的光谱信号转变为模拟电信号，再经过放大和模数转换变为数字信号； (8)使用小波包阈值消噪方法对数字信号进行红外去噪处理，并通过近红外分析仪输出近红外吸收谱图； (9)由近红外吸收谱图得到初步神经元的活性信息图； (9a)在近红外吸收谱图中读取未穿过人体的反射光强度为Itl，穿过...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂敏，王林飞，杨光，张美玲，刘璐，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61